長距離復合曲線頂管施工關鍵技術控制要點分析

范一超

（上海市水利工程集團有限公司，上海 201612）

0 引言

近年來，我國供水工程建設規模持續增大，頂管施工的質量和效率越來越受到企業的重視。長距離過江頂管的施工，可以在提升供水運輸效率的同時，實現對地下供水系統的良好構建[1]。但是在復雜地層條件下，過江長距離施工難度較大，再加上頂管施工存在一定的風險，所以如何借助關鍵技術進行復雜地層過江長距離頂管高質量、高效率施工，成為業內的重點關注問題。

1 工程背景

某過江長距離供水工程包括DN1600（JPCCP）頂管8260m，頂管接收井及工作井各13座，壓力井26座。單頂長度超過400m 以上的共有10 段，其中3 段由于沿線存在大量高壓電纜線、化工管線、信息管線、河道、構筑物等，且分布于各個高程區間，無法采用直線頂管和單曲線頂管，只有采用復合曲線頂管施工。WP13～WP14段最長頂管長度為687m，沿線位于道路西側綠化帶內，施工井位見縫插針設置在2根高壓電纜線中間。

2 工程技術控制難點

由于一次頂進長度過長（3段復合曲線頂進均超過500m），過程中多次轉變曲率方向導致頂進參數難以控制，擾動較大，更容易引起地表異常沉降；部分段落在砂質粉土夾粉砂層穿越，容易出現造漿困難、機頭偏移、后期下沉等問題，加大了復合曲線頂進的難度；管線長，管內光線暗且不通視，只能在彎道處設置中間測站，測量上容易產生誤差；管內測量困難大、測量周期長、糾偏頻繁，容易引起地面沉降；曲線段管節與管節的接觸面受力不均勻，管縫處的混凝土容易壓碎，或者管節間受力較大，從而導致脫節；地下管線等障礙物多且距離近，該工程頂管距離最近的電力管僅約1.0m[1]。

3 技術控制措施

3.1 管線調查

該工程涉及管線種類眾多，管道頂進過程中穿越范圍內存在天然氣管、自來水管道、信息、移動、聯通、鐵通、電力特高壓管、電力通訊管等重要市政基礎設施[2]。WP13～WP14段障礙物中以輸油管線、化工管線、電力管線最為危險。穿越過程中對于管徑較大的高壓電力管采用高精度慣性陀螺儀探測方法，對于化工管線和輸油管線則采用地震映像法、超聲成像法探測。特別注意的是，雖然高精度慣性陀螺儀探測精度最高可達0.03%L，但仍需考慮陀螺儀的慣性累計誤差，在管線中弧段累計誤差最大處留足安全距離。

3.2 整體建模

采用Revit和Navisworks 對頂進過程進行BIM 模擬（見圖1），對主要施工安全設施和安全專項方案進行模擬、優化。在頂進過程中通過采集土壓、頂速、頂力、沉降等數據，信息化分析，與設定參數實時對比，從而實現了過程中趨勢預測，優化控制參數，實現了穿越過程微擾動。

圖1 頂進過程BIM建模

3.3 頂力計算與中繼間設置

頂管頂進時，頂力由迎面頂力和管道與土體的摩擦力組成，泥水平衡頂管機在曲線頂進時，應考慮附加摩阻力系數f，這是對計算結果影響最大的因素。地質條件的差異和采用不同的機械工況以及減阻效果的好壞都會直接影響摩阻力的大小[3]，所以在計算時應充分應用規范參考值，合理選擇頂進設備，設置中繼間。

3.3.1 管道總頂力

計算管道摩擦力：

式中：D——管道外徑；

L——管道設計頂進長度；

fk——管道外壁摩阻力，取3.5kN/m2。

計算迎面阻力：

式中：D——頂管機外徑；

γs——土的重度，取19.0kN/m3；

Hs——覆蓋土層厚度，取7.48m。

由于采用曲線頂管，曲率半徑600m，依據《頂管工程施工規程》（DG/TJ 08-2049-2016）規定，頂力計算考慮頂力附加值系數K=1.1。

管道總頂力為迎面阻力和管道摩擦力之和：

3.3.2 管材允許最大頂力計算

頂力計算結束后仍需考慮所用JPCCP 管允許最大頂力，公式如下：

式中：Fc——混凝土軸心抗壓設計強度，C50混凝土，Fc=23.1MPa；

Ap——管道的最小有效傳力面積，mm2,按截面的1/4 保守計算；

kdc——混凝土管綜合系數，取kdc=0.372。

計算得出單根頂管頂力最大達9713.75kN，以整體穩定性為原則，后靠背的強度、剛度在滿足頂進施工的前提下，考慮方便安裝和拆卸，并結合經濟合理的要求，后靠背采用鋼筋混凝土加5cm 原鋼板的復合模式，不僅節約了混凝土，鋼板還可進行重復周轉使用。

3.3.3 中繼間設置

該工程工作井的設計最大頂力為5000kN，為防止頂力超出設計最大值，通過調整壓力閥使系統總頂力限制在5000kN 以下。當主推千斤頂的頂力接近允許最大頂力時，啟動中繼環接力降低后座頂力。中繼環為12 個500kN 的油缸，裝備最大總推力合計6000kN，油缸行程為350mm。在中繼環內安置了油壓傳感器，由中央控制室集中控制，當主推千斤頂頂力接近工作井設計最大頂力時，開啟上一級中繼環。每套中繼環內還設置了行程儀傳感器，通過數據傳輸在操作平臺上顯示出油缸的行程讀數，方便操作人員調整控制。結合工程情況，第一道中繼間確定設置在頂管機后方30m處，其后面按下列公式計算間隔距離：

式中：S′——中繼間的間隔距離；

F3——控制頂力，取6000kN；

F2——頂管機的迎面阻力，取0kN；

F——管道外壁與土的平均摩阻力，取2～3.5kN/m2；

D——管道外徑，取2m；

k——頂力系數，取0.6。

隨著頂進施工的不斷深入，漿套慢慢形成，長度越長摩阻力越小，摩阻力在第二道中繼間處取3.5kN/m2，計算第二道中繼間距離L=163m；摩阻力在第三道中繼間處取2.5kN/m2，計算第三道中繼間距離L=229m；摩阻力在第四道中繼間處取2.0kN/m2，計算第四道中繼間距離L=287m；依據現場頂進過程中的阻力和管節的長度分析，在WP13～WP14段實際中繼間設置如表1。

表1 中繼間設置情況

由于中繼間行程短，在頂進過程中反復伸縮，密封圈易磨損失效而產生漏水、漏漿、漏泥等問題。為此該工程的中繼間結構形式在設計時優先采用徑向可調密封形式，并設置二道密封圈。為減小密封圈的磨損，在密封圈之間設置4只油嘴，用以壓注潤滑油脂。同時還布置了4只注漿孔，頂進過程中可進行同步注漿，以發揮減少頂進摩阻力的作用。

3.4 觸變泥漿

頂進過程中控制的關鍵點是最大程度地減少頂進摩阻力，而減少摩阻力最有效的方法是注漿。減阻泥漿膠凝狀態在填滿管道下部區域時效果最佳，即讓管道處于懸浮的狀態，此時摩阻力最小，然而這就需要注漿后泥漿產生的浮力要大于管道的結構自重。制備前要驗算管道的質量，得到最佳泥漿比重，同時在制備時要保證膨潤土充分溶解和漿液的均勻度最優。

該工程曲線頂管較多，頂進地層軟弱且多穿越河流，對注漿減阻有著更高要求，通過現場試驗確定觸變泥漿的注漿性能和漿液配方，再根據不同地層進行優化調整，最終確定該段漿液配合比，保證泥漿的減摩效果和支承能力[4]。不同管材和土層選擇的注漿孔布置不同，施工前可根據具體情況優化布置。該工程每6m 設置1環壓漿管，即每2根管道設置1環壓漿閥管（管道長度為3m/節），每環壓漿孔90°均布4 個壓漿球閥。為便于控制注漿壓力，在工具管尾部、壓漿泵等部位加裝壓力表，根據施工參數和監測數據及時進行調整。注漿時，注漿壓力直接關系到潤滑減阻的作用大小，壓力根據覆土厚度、地下水壓、地層性質等確定。為避免過度擾動，在實踐中，多取注漿壓力為1.1～1.2倍靜水壓力（泥水壓力）。施工時要特別注意管口雙O型橡膠圈的安裝質量及內襯帶破裂情況。減阻泥漿從開始注入到形成完整的泥漿套過程中，在壓力的作用下泥漿會滲流侵入到附近土層從而形成觸變泥漿滲流區，為確保泥漿套的穩定，同步注漿還要對頂進范圍內的管子周圍進行二次注漿。注漿時，必須從管節出洞口開始，避免引起背土，導致泥漿環套不完整。在復合曲線的頂進過程中，減阻泥漿的用量比直線和單曲線的大，而且遠遠超出理論計算用量，因此施工過程中必須堅持“先壓后頂、隨壓隨頂、及時補漿”的原則，做適當的調整[5]。

3.5 測量糾偏與姿態控制

測量是所有曲線頂管的技術保障，DN1600 復合曲線中測量視線差，須經過多次轉站，而人工測量時間長，精度差，嚴重影響工程進度和頂進精度。該工程采用自動引導測量導向系統，通過全自動全站儀、自動安平基座等設備，在測控軟件的控制下，逐站進行自動導線測量，通過無線中繼通訊實現狹長管道內的數據傳輸，用測量流程及相應算法來降低頂管內外溫度變化引起的折光誤差。為了監測頂管機的姿態，在頂管機頭部縱向設一對水平橫尺和全站儀接收棱鏡，利用布設的三維坐標控制點，測量各尺讀數，經精確計算得頂管轉角、頂管中心方向偏差值、頂管坡度、頂管中心高程等數據，從而相應調整頂管機的各個施工參數。為了進一步提高頂管機姿態監測的精度，測量時采取自動監測與人工監測相互糾正[2]。

在測控中由于機頭較重且位于復合曲線的最前端，在糾偏過程中機頭部位的管道會因為已有的慣性頂力向原曲線方向持續偏移，所以在糾偏過程中考慮了管道的慣性趨勢，通過測量繪制管道走勢圖，預判頂進偏差趨勢，以形成糾偏趨勢為原則，采用“取中法”進行糾偏，即下一頂進最大糾偏值為機頭當次測量位置與軸線偏差值的一半，防止因為糾偏過大導致機頭姿態發生較大偏移，無法形成順滑的軸線，或出現較為明顯的拐點、折點。

3.6 管道張角及曲率的實現

復合曲線實際上是多條折線三維銜接的呈現，張縫越大，縱向越易失穩、線型越易失控。為防止上述問題出現，頂進前利用BIM 模型進行最大張縫的計算模擬，根據管道的性能參數評估張縫安全性。即開口量δ=L×D/R，θ=2arcsin（L/2R），經計算在雙曲率轉變時最大δ為13.3mm。由于總張開量=幾何張開量+力學約束，而力學約束使得張開量減少，主要包括機頭超挖、木楔、木襯墊受壓、雙O 橡膠止水帶、鋼套環以及周圍土體等對接縫張開的約束。根據模擬的結果在頂進過程中，定制特殊厚度松木襯墊和短管作用于張縫較大管節處，從而擴散糾偏產生的徑向分力，同時在前4節管道間設置拉桿，以便控制縫隙變化，做好張縫的安全控制，同時也可以通過調整中繼間的合力中心，驅使管節間的頂力作用點向張角擴大的方向移動，改善力的傳遞方向，使得張角恢復正常。過程中借助粘貼在張縫處的長度紙片，觀察實際張開量S1與計算量Sj和管道臨界值Sl的關系。邊角關系如圖2所示。

圖2 邊角關系

4 結束語

長距離復合曲線頂管相比普通曲線頂管對地層產生的擾動更大，要求更高，所以在頂進前需要做好充足的管線調查，制定科學合理的頂進曲線和參數，嚴格控制中繼間的使用，同時根據實際情況采取措施減少摩阻力，調整注漿參數和用量，嚴格控制土體擾動，從而提高施工精度，降低施工難度，提高施工效益。